Исследование широкополосных акустооптических устройств на основе сильно анизотропных кристаллов, страница 3

3. Отражение звуковой волны от входной оптической грани кристалла.Жирной черной линией показана входная оптическая грань фильтра, жирнойсерой линией – грань с прикрепленным пьезопреобразователем16Геометрическое построение, иллюстрирующее акустическое отражениеот входной грани кристалла, представлено на Рис. 3.

Из рисунка видно, чтоориентация второй грани кристалла (на которой расположен излучающийпьезопреобразователь) относительно осей определяется углом π / 2 − α 2 междуосью [110] и плоскостью грани.Анализ возможных ориентаций граней фильтров показывает, что взависимости от величины конструктивного угла α 1 существуют следующиехарактерные конфигурации акустооптических ячеек (Рис. 4). При увеличенииугла α 1 от 0о до 1,78о угол между входной оптической гранью фильтра игранью пьезопреобразователя является острым. Если 1,78o< α 1 <13,31o, то уголмежду входной оптической гранью фильтра и гранью пьезопреобразователяявляется тупым.

При α 1 >13,31о этот угол опять становится острым. Двумзначениям угла α 1 , т.е. α 1 =1,78о и α 1 =13,31о соответствуют два уникальныхслучая,когдагранифильтраортогональны.Приэтомориентациякристаллографических осей является, разумеется, различной для каждого изэтих двух случаев. На рис. 2.3.1 приведены примеры взаимной ориентацииграней фильтров для конкретных значений конструктивного угла α 1 =1,58о,оооα 1 =1,78 и α 1 =7 . Значение α 1 =1,58 соответствует частному случаю, когдафазовая скорость звука Vp2 направлена в сторону входной оптической гранифильтра строго по оси [001].

Значению конструктивного угла α 1 =1,78осоответствует направление фазовой скорости Vp2, параллельное оптическойграни, при котором происходит так называемое «скользящее падение», а приоα 1 =7 фазовая скорость Vp2 направлена в сторону от входной оптическойграни. В двух последних случаях возбуждаемая пьезопреобразователемакустическая волна падает на входную оптическую грань вследствиеакустической анизотропии.17[001]Входнаяоптическая граньkiα1 = 1,58οПри 0 < α1 < 1,78ο иα 1 > 13,31ο угол междугранями фильтраострыйVp2[110][001]kiVp2[110]α1 = 1,78οПри α1 = 1,78ο иα 1 = 13,31ο гранифильтраперпендикулярныдруг другу[110][001]kiα1 = 7οПри 1,78ο < α1 < 13,31οугол между гранямифильтра тупойVp2Рис. 4. Различные варианты ориентации граней фильтра относительнокристаллографических осей18Рассмотрены варианты оптимизации геометрии АО взаимодействия всоответствии с системными требованиями функционирования фильтров идисперсионных линий задержки. Показано, что оптимизация, позволяющаяодновременно достигнуть предельных значений всех основных параметров(эффективности,спектральногоразрешения,максимальноговремениоптической задержки), невозможна.

Рассмотрено уширение углового спектрафемтосекундного импульса, обработанного дисперсионной линией задержки.Предложен способ компенсации углового уширения. Показано, что впрактически важном случае сохранения оптической оси лазерной системыкомпенсация углового уширения является исключительно эффективной:угловоерасширениепучкаоказываетсяменьшедифракционнойрасходимости.Из векторной диаграммы (рис. 3) следует, что в квазиколлинеарномакустооптическом устройстве, работающем на принципе анизотропнойдифракции, угол между падающим и дифрагированным лучами легконаходитсяпотеоремесинусовk o / sin(α + ϕ ) = K / sin βиопределяетсяформулой:sin β =λfn oV psin (ϕ + α ) ,(3)где k o и K - волновые векторы света и звука, λ - длина волны в вакууме, f частота акустооптического взаимодействия, V – скорость звука, no показатель преломления для обыкновенного луча, ϕ - угол падения света(угол между волновым вектором падающего света и осью кристалла), α угол между фазовой скоростью звука Vp и осью кристалла.Какследуетизформулы(3),уголмеждупадающимидифрагированным лучами при небольших углах пропорционален длинесветовой волны.

Спектр фемтосекундного импульса занимает определенныйинтервал длин волн. Вследствие этого каждая спектральная компонентафемтосекундного импульса отклонится на угол, пропорциональный длиневолны этой спектральной компоненты. В результате данного эффекта19лазерный фемтосекундный луч, входящий в дисперсионную линиюзадержки, вследствие дифракции на выходе дисперсионной линии задержкиразложится в угловой спектр плоских волн по закону, определенномуформулой (3).На рис.

5 изображена схема дисперсионной линии задержки и ходоптических лучей в ней. Углом Δγ обозначена величина углового уширениядифрагированногофемтосекундноголуча,γугол-уголмеждудифракционным лучом и нормалью к выходной грани, а угол х – уголкомпенсационной призмы.[110][001]0-й порядокдифракцииПадающийсветβΔγxДифрагированныйсветγРис. 5. Схема хода лучей в квазиколлинеарной акустооптическойячейке с компенсационной призмой для уменьшения углового уширениядифрагированного лазерного лучаПроведеноэкспериментальноеисследованиеквазиколлинеарныхакустооптических фильтров на основе кристаллов ТеО2 и KDP. Вэксперименте получено рекордное спектральное разрешение 0,24 нм поуровню -3дБ для фильтра на парателлурите с конструктивным углом 1,78о надлине волны 1550 нм (рис.

6). Детально исследованы различныемодификации дисперсионных линий задержки для УФ, видимого и ближнегоИК диапазонов с обработкой фемтосекундных спектров шириной до 200 нм.По результатам лабораторных экспериментальных исследований проведенынатурные испытания АО дисперсионной линии задержки на субпетаваттной20лазерной установке. Испытания подтвердили возможность управленияамплитудамиспектральныхкомпонентформирование провала в спектре, эффектфемтосекундныхπимпульсов:-шейпинга с расширениемспектра фемтосекундного импульса вдвое, и т.д. Тем самым была доказанавозможность адаптивного управления спектром фемтосекундного излучения.Id,отн.

ед.λ , нмРис. 6. Спектральная функция пропускания квазиколлинеарногоакустооптического фильтра с конструктивным углом α 1 =1,78оТретья глава диссертации начинается с обзора современныхспособовустройств.изготовленияпьезопреобразователейОсуществленаэлектрическогопостановкасогласованияпьезопреобразователейАОзадачиакустооптическихширокополосногокомплексныхустройств.Полученоимпедансованалитическоевыражение для комплексного входного электрического импедансаодносторонненагруженногопьезопреобразователясучетомпараметров промежуточного связующего слоя на основе полнойэквивалентной схемы Мезона.

Теоретически исследовано влияниеконкретных параметров промежуточного слоя на широкополосность21пьезопреобразователя. Из рисунка 7 видно, что ширина полосыэффективно излучаемых в кристалл акустических колебаний при болеетолстом слое сужается.а)б)в)Рис. 7. Теоретическая зависимость действительной части Rвходного импеданса пьезопреобразователя от частоты: а) толщинасвязующего слоя 10 нм; б) 200 нм; в) 500 нм.Предложенипрактическиреализованфеноменологическийметодэлектрического согласования комплексного импеданса пьезопреобразователяс внутренним сопротивлением генератора на основе формализма диаграммСмита.

Метод позволяет осуществлять согласование акустооптическихустройствбезиспользованиявекторногоизмерителякомплексныхимпедансов. Получены аналитические формулы для расчета значений LCэлементов согласующих цепей. Экспериментальные данные находятся вхорошемсоответствиифеноменологическогосметодарасчетными.электрическогоСиспользованиемсогласованиясоздануникальный акустооптический фильтр для анализа изображений с рекорднымдиапазоном перестройки 380-1100 нм.22В заключении сформулированы основные результаты диссертационнойработы:1)Зарегистрированвакустооптическомэкспериментеэффектдифракционной невзаимности, приводящий к расширению либо сужениюполосы частот изотропного акустооптического взаимодействия.

Эффектобусловленразличиемввеличинахкоэффициентоврасстройкивзависимости от ориентации векторов фазовой скорости света и групповойскорости звука. Показано, что изменение полосы АО взаимодействияопределяется, при прочих равных условиях, величиной угла акустическогосноса.2) Доказано, что акустооптический метод визуализации акустических полейявляется эффективным для исследования акустооптического эффекта вматериалах с сильной анизотропией акустических свойств. Экспериментывыполнены для различных акустических мод, распространяющихся вплоскости (001) кристалла ТеО2. На основе измеренных скоростей звука иуглов сноса произведена идентификация акустических мод, а такжеопределены эффективные фотоупругие константы в кристалле.3)Разработанметоданализагеометрииквазиколлинеарногоакустооптического взаимодействия в одноосных кристаллах для создания АОфильтров и дисперсионных линий задержки на основе кристаллов ТеО2 иKDP.

Рассмотрены варианты оптимизации геометрии АО взаимодействия вразличных устройствах и проведено сравнение основных параметровприборов в различных конструктивных конфигурациях. Предложен способкомпенсации уширения углового спектра фемтосекундного излучения сучетомтребования,дифракционнойчтоугловоерасходимостиуширениелазерноголуча.должнобытьменьшеУстановлено,чтовпрактически важном случае сохранения оптической оси лазерной системыподобная компенсация также возможна.4)Проведеноакустооптическихэкспериментальноефильтровнаисследованиеоснове23квазиколлинеарныхкристалловТеО2иKDP.Эксперименты показали, что приборы на основе монокристаллов ТеО2 могутбыть успешно применены для работы в WDM системах связи соспектральным разделением частот сигналов 100 ГГц и более.

Достигнуторекордное спектральное разрешение фильтра на парателлурите 0,24 нм надлине волны 1550 нм. Экспериментальные исследования квазиколлинеарногофильтра на основе кристалла KDP показали хорошее совпадение срасчетными данными.5)ПроведеныиспытанияАОдисперсионнойлиниизадержкинасубпетаваттной фемтосекундной лазерной системе. Испытания показаливысокую эффективность (70%) преобразования спектра фемтосекундныхимпульсов шириной 120 нм на центральной длине волны 1250 нм иподтвердили способность прибора работать с временной нестабильностьюфемтосекундных импульсов +/-12 мкс. Осуществлено адаптивное управлениеамплитудами спектральных компонент фемтосекундных импульсов.6)Полученоаналитическоеэлектрическоговыражениеимпедансадлякомплексногоодносторонневходногонагруженногопьезопреобразователя с учетом параметров промежуточного связующегослоя на основе полной эквивалетной схемы Мэзона.